建筑垃圾再生骨料對礦山充填膏體輸送性能影響的試驗研究

劉 音，郭亞蘭，李 浩，王昊宇

(山東科技大學 礦業與安全工程學院，山東 青島 266590)

近年來，我國固體廢棄物產生量持續增長，僅建筑垃圾每年就產生十幾億噸[1-2]。建筑垃圾的大量堆放不僅會降低土壤質量及土壤生產能力，影響空氣質量、危害人體健康，而且建筑垃圾在長期堆放過程中還會造成有害物質滲入地下水域，污染地下水體[3]。

建筑垃圾的再生利用，是當今世界眾多國家研究發展的技術追求和可持續發展的戰略目標之一，日本、美國、德國、歐盟和韓國等國家均有一定的研究成果，早在上個世紀80年代荷蘭就制定了有關利用再生混凝土骨料制備素混凝土、鋼筋混凝土和預應力鋼筋混凝土的規范[4-5]。我國對于建筑垃圾再生骨料的研究已經開展了一段時間，尤其在充填開采方面，為更高效地將建筑垃圾再生骨料利用起來，已有學者進行了一些相關研究和實踐。姜明洋等[6-8]采用正交試驗手段對城區廢舊建筑垃圾充填膏體的配合比進行了研究，得出建筑垃圾充填膏體可以避免煤矸石骨料遇水膨脹的缺點，且在滿足塌落度要求的前提下建筑垃圾充填膏體質量濃度越大，其充填效果越好。韓宇峰等[9-10]以建筑垃圾再生骨料、煤矸石、水泥、粉煤灰為原料制備礦山充填膏體，通過測試不同材料配比的膏體流動性、泌水率及抗壓強度，得出建筑垃圾再生骨料充填膏體相比于煤矸石充填膏體泌水率降低，流動性能變差，且抗壓強度增加。馮國瑞等[11-13]利用混凝土粗骨料代替煤矸石制備充填膏體，通過實驗分析出廢棄混凝土粗骨料替代矸石量的合理范圍。劉音等[14]對建筑垃圾再生骨料充填膏體對地下水環境造成的影響進行了試驗研究，建筑垃圾作為充填骨料充填于采空區，由于固化作用重金屬離子不會對地下水環境造成影響；山東級索煤礦以廢棄混凝土作為充填骨料運用于充填開采，取得較好的經濟效益和環境效益。上述研究大都為針對一種建筑垃圾進行的獨立研究，但是建筑垃圾分類較多，對不同類型的建筑垃圾用作充填骨料的合理優選性探究鮮有報道；其次在礦山膏體充填過程中，高濃度充填膏體會造成管道堵塞，膏體濃度過低會犧牲充填強度，更低濃度的膏體由于顆粒沉降易導致管道堵塞[15-17]，而目前對于建筑垃圾再生骨料充填膏體的輸送性能方面的研究仍處于初步探索階段。

膏體充填料漿在管道中的輸送性能是其在泵送過程中的工作性，即流動性、可塑性和穩定性，這一點與泵送混凝土的特性是一致的。一般情況下衡量膏體充填材料可泵性指標主要有初凝和終凝時間、塌落度、泌水率、分層度及顆粒級配。塌落度是膏體材料輸送性能的一個最重要的參考指標，因其便于操作、切實可行而被廣泛采用。塌落度的大小在直觀上反映了膏體料漿的流動能力和摩擦阻力的大小，煤礦膏體充填材料的塌落度一般控制在18～24 cm，并在此范圍內尋找最佳泌水率、分層度等指標。泌水率是指在指定的時間范圍內，膏體料漿上層泌出的水分占膏體總質量的百分比。泌水率是測定膏體保水性能的重要指標，泌水率大，膏體料漿的保水性能較差，水分容易在膏體表面析出，影響料漿的和易性，在煤礦膏體充填中一般要求靜置泌水率不大于2.5%。分層度在膏體試驗中一般指骨料下沉水分上升的一種現象，是由建筑學領域中轉變過來的一個技術指標，被最先運用于金屬礦的膏體充填中。分層是一種不可避免的客觀現象，但是分層度過大會產生離析，嚴重的話會導致堵管事故，對井下造成重大的經濟損失。在配制膏體材料的過程中一定要注意分層度的控制，根據實踐經驗表明，分層度宜不超過2 cm[18]。

本研究采集廢棄路面混凝土、城區廢舊建筑物、建筑工地廢棄物三種來源的建筑垃圾再生骨料制備充填膏體，首先測試三種建筑垃圾的表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎指標及針片狀顆粒含量；依據礦上要求進行試驗，然后分別測試三種不同建筑垃圾充填膏體的塌落度、分層度和泌水率，確定適合礦山充填膏體的最佳建筑垃圾類型；最后采用單因素試驗分析方法，通過改變充填膏體的質量濃度、固相比，探究對充填膏體輸送性能的影響，尋求使建筑工地廢棄物充填膏體輸送性能達到最佳的質量濃度和固相比。

1 實驗材料及方法

1.1 試驗原材料

水泥(32.5#)來自山東山水水泥集團有限公司；粗粉煤灰(Ⅲ級)取自山東省濟寧市岱莊煤礦電廠，外觀呈灰褐色[14]，其主要化學成分和物理性能如表1。建筑垃圾取自廢棄路面混凝土、城區廢舊建筑物、建筑工地廢棄物。分類后進行破碎，將建筑垃圾破碎成粒徑在25 mm以下的再生骨料，選用粒徑5～25 mm的骨料為制備充填膏體骨料。不同骨料的來源及基本特征見表2。

表1 粉煤灰的化學成分及物理性能Tab. 1 Chemical composition and physical properties of fly ash

表2 不同骨料的來源及基本特征Tab. 2 Source and basic characteristics of different aggregates

1.2 試驗方案

方案1 測試廢棄路面混凝土、城區廢舊建筑物、建筑工地廢棄物的表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎指標、針片狀顆粒含量；分別制備充填膏體，質量濃度均為76%，水泥∶粉煤灰基∶再生骨料=1∶4∶6，確定適合礦山充填膏體的最佳建筑垃圾類型。

方案2 以建筑工地廢棄物再生骨料制備充填膏體，固相比(水泥∶粉煤灰基∶再生骨料)=1∶4∶6，質量濃度分別設定為74%、75%、76%、77%、78%，以探究質量濃度對充填膏體輸送性能影響試驗。

方案3 以建筑工地廢棄物再生骨料制備充填膏體，質量濃度均為76%，固相比分別設定為1∶4∶4、1∶4∶5、1∶4∶6、1∶4∶7、1∶4∶8，以探究固相比對充填膏體輸送性能影響試驗。

1.3 試驗方法

1.3.1 物理性質測試

對三種建筑垃圾進行取樣，進行基本物理性質測試。測試內容主要包括表觀密度、堆積密度、吸水率、壓碎指標、針片狀顆粒含量，試驗嚴格參照《普通混凝土用砂、石質量及檢驗方法標準》(JGJ 52—2006)進行。

1.3.2 輸送性能測試

每次試驗之前先按照試驗配比稱取各材料，然后全部倒入攪拌機(NJ-160A型水泥凈漿攪拌機，產地河北滄州路達建筑儀器廠)，待充分混合均勻后添加合適的水量，按照規定攪拌3～5 min，倒出膏體，立即測試膏體的塌落度(坍落度筒，產地河北滄州冀路試驗儀器有限公司)、分層度(砂漿分層度測量儀，產地滄州鑫鑫試驗儀器有限公司)和泌水率(量筒、CP2202S型精密電子稱，產地深圳市銘科化工有限公司)，并及時做好相關記錄，試驗嚴格按照《普通混凝土拌合物性能試驗方法標準》(GB/T 50080—2016)進行。

1) 塌落度測量

塌落度測量按照GB/T 50080—2002進行，用上口直徑100 mm，下口直徑200 mm，高300 mm的圓臺形儀器測量。將充填膏體料漿分三層均勻地裝入塌落度筒內，每裝一層充填膏體料漿便用搗棒由邊緣到中心按螺旋形均勻插搗25次，頂層插搗完成后，取下裝料漏斗，將多余充填膏體料漿刮去，并沿筒口抹平，清除筒邊底板上充填膏體料漿后，垂直平穩的提起塌落度筒，當試樣不再繼續塌落時，用鋼尺測量出筒高與塌落后充填膏體料漿試體之間的高度差，作為該充填膏體料漿的塌落度值，精確至cm。

2) 分層度測量

將充填膏體試樣裝入分層度筒中，待裝滿后，用橡皮錘在容器周圍距離大致相同的四個不同地方輕輕敲擊1～2次，然后刮去多余料漿，并抹平，測量料漿的沉入度值(cm),靜置30 min后，去掉上面20 cm的料漿，將剩下的料漿倒出，放入攪拌器中拌2 min，將攪拌后的料漿重新倒入分層筒中，按剛才的方法繼續測量料漿的沉入值(cm)，以前后兩次沉入度之差定為充填膏體料漿的分層度(cm)。

3) 泌水率測量

用濕布潤濕量筒內壁后應立刻進行稱量，并記錄量筒的質量，將充填膏體料漿分兩次裝入量筒內，每次的插搗次數為25次，每次搗完用橡皮錘沿量筒外壁敲擊5～10次，進行振實。將筒口及外表面擦凈，稱量并記錄量筒與試樣的總質量，蓋好量筒口并開始計時，每隔30 min吸取試樣表面泌水，直至不再泌水為止，記錄每次的吸水量，并計算累計吸水量。充填膏體料漿的泌水率按公式(1)計算。

(1)

其中：B—表示泌水率，%，精度1%；VW—表示泌水總量，mL；m—表示充填膏體料漿試樣質量g；mT—試驗拌制充填膏體拌合物的總質量，g；W—試驗拌制充填膏體拌合物拌和用水量，mL。

2 試驗結果及分析

2.1 不同來源的建筑垃圾再生骨料物理性質及對膏體輸送性能的影響

2.1.1 基本物理性質分析

三種建筑垃圾再生骨料的基本物理性質如表2～4所示。其中A01～A03分別表示廢棄路面混凝土、城區廢舊建筑物、建筑工地廢棄物。由試驗結果可知，建筑垃圾再生骨料之間存在較大差異，A01、A02的表觀密度和堆積密度均略高于A03，這是因為A01、A02雜質含量較少，易于破碎，較小的骨料粒徑可以使得材料獲得較小的空隙率和較大的密度。A01、A02的吸水率、含泥量和壓碎指標均高于A03。由于吸水率在很大程度上取決于含泥量，A01、A02的高含泥量導致其吸水率較高，即在同等條件下用A01、A02制備充填膏體時用水量較大；壓碎指標是用來間接表示骨料強度性能的一個指標，由于A03中主要成分為混凝土，相比于以磚塊、砂漿為主的A01、A02，根據《建筑用卵石、碎石國家標準》(GB/T 14658—2011)可知，其壓碎指標較低，即骨料強度較高。A01、A02、A03的針片狀顆粒含量是5%～6%，根據《混凝土配合比設計規程》(JGJ 55—2011)，對于泵送混凝土，針片狀顆粒含量應不大于10%，因此三種建筑垃圾再生骨料均符合礦山充填膏體泵送標準。綜合各種物理性質結果，以混凝土為主要成分的A03性能高于A01、A02。

表3 不同影響因素對充填膏體輸送性能影響試驗數據Tab. 3 Experimental data of influence of different factors on conveying performance of filling paste

表4 再生骨料性質測試實驗Tab. 4 Recycled aggregate properties test

2.1.2 對充填膏體輸送性能的影響分析

按照試驗方案1，將A01、A02、A03型三種建筑垃圾分別與水泥和粉煤灰制備充填膏體，測試其塌落度、分層度、泌水率，試驗結果如圖1所示。根據現場經驗，煤礦膏體充填材料的塌落度一般控制在18～24 cm，分層度一般不大于2 cm，靜置泌水率不大于2%[18]。從圖1可以看出，三種建筑垃圾的塌落度、分層度、泌水率符合礦山充填膏體的要求，證實了建筑垃圾用于制備礦山充填膏體的可行性。其中，三種建筑垃圾的分層度和泌水率變化幅度極小，均在控制標準范圍內，A01和A02的塌落度均低于A03。這是因為A01和A02中的砂石和磚塊含量較多，骨料吸水率均大于A03, 用以增加流動性能的水分被骨料吸收，從而導致A01和A02的塌落度降低。A03主要成分為混凝土，其中的骨料質量、粒徑級配優于成分單一的A01和A02。因此，結合物理性質測試及本試驗，以混凝土為主要成分的A03制備礦山充填膏體的輸送性能最佳。

圖1 不同來源建筑垃圾對膏體輸送性能的影響Fig. 1 Effect of construction waste from different sources on paste conveying performance

2.2 質量濃度對A03型充填膏體輸送性能的影響

按照試驗方案2，將A03型建筑垃圾再生骨料與水泥和粉煤灰制備充填膏體，測試其塌落度、分層度、泌水率試驗結果如圖2所示。質量濃度是影響充填膏體性能的一個重要因素，充填膏體的質量濃度逐漸增大，即拌和用水量逐漸減少，勢必會降低充填膏體的塌落度、分層度和泌水率。從圖2可知，充填膏體質量濃度從72%增加到80%，塌落度從26.6 cm降低到16.8 cm，分層度從3.0 cm降低到0.6 cm，泌水率從5.3%降低到0.68%。質量濃度過低，分層和泌水現象較為嚴重；質量濃度過高，易發生堵管現象，均不利于充填膏體的輸送。對于不同配比的膏體材料來說，質量濃度存在一個最佳的取值范圍。試驗可知，當質量濃度在76%～78%時，膏體的塌落度均保持在18～24 cm之間，分層度在2 cm以下，泌水率均小于2%，此時輸送性能達到最佳狀態。

2.3 固相比對A03型充填膏體輸送性能的影響

按照試驗方案3，將A03型建筑垃圾再生骨料與水泥和粉煤灰制備充填膏體，測試其塌落度、分層度、泌水率，結果如圖3所示。隨著充填膏體固相比從1∶4∶4增加到1∶4∶6，其塌落度分層度和泌水率均降低；當固相比大于1∶4∶6，其塌落度、分層度和泌水率均開始增高，最大分別可達到27.4 cm、4.5 cm和5.2%。可解釋為由于粉煤灰表面光滑致密，在充填膏體拌合物中發揮其滾珠軸承的功能，起到潤滑、減小摩擦的作用；同時，粉煤灰為細骨料，均勻分布在水泥顆粒之中發揮其微集料作用，阻止了水泥顆粒的粘聚，使滯留于水泥顆粒之間的部分拌和水釋放出來，從而改善了膏體的塌落度。在質量濃度一定時，固相比為1∶4∶4時所占的細骨料比例最大，當固相比增加到1∶4∶6時，粉煤灰量減少，導致塌落度降低；又因為粉煤灰吸水率要遠大于建筑垃圾的吸水率，所以分層度和泌水率也逐漸降低。當固相比為1∶4∶7～1∶4∶8，建筑垃圾再生骨料比例繼續增大，即拌和用水量繼續增大，但是再生骨料保水作用比粉煤灰弱，因此料漿體系中會產生多余的水分，直接增加了膏體的塌落度、分層度和泌水率，各項性能達不到試驗要求。可知，當固相比為1∶4∶6時，充填膏體的塌落度、分層度和泌水率均達到最佳。

圖2 質量濃度對膏體輸送性能的影響Fig. 2 Effect of mass concentration on paste transport performance

圖3 不同固相比條件下膏體的輸送性能影響Fig. 3 Effect of paste transport performance under different solid-state conditions

3 結論

通過三組室內模擬試驗，探究建筑垃圾作為礦山充填骨料對充填膏體輸送性能的影響，得出以下結論：

1) 廢棄路面混凝土、城區廢舊建筑物、建筑工地廢棄物均可用作礦山充填骨料, 以廢棄混凝土為主的建筑工地廢棄物制備的充填膏體輸送性能最佳。

2) 建筑工地廢棄物充填膏體的質量濃度在76%～78%時，隨著固相比中建筑工地廢棄建筑物比例的增大，塌落度、分層度、泌水率均呈先降低后升高的趨勢，其中固相比為1∶4∶6時，輸送性能最佳。

3) 本試驗在漿體制備過程中，由于不可控制的外界環境因素(溫度、濕度、二氧化碳濃度等的變化)，在測試塌落度等宏觀指標過程中，不能保證各環境恒定不變，使試驗數據產生一定誤差，但在實驗誤差范圍之內。后期擬使用相關模擬軟件對充填料漿的管道輸送性能做進一步研究。